Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong chương trình đào tạo kỹ sư ngành Công nghệ Thực phẩm tại Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh, học phần Đồ án Kỹ thuật thực phẩm là nội dung thực hành then chốt giúp sinh viên hệ thống hóa kiến thức về các quá trình và thiết bị truyền nhiệt, truyền khối, đồng thời rèn luyện kỹ năng tính toán, thiết kế cơ khí và lựa chọn các chi tiết thiết bị thực tế.

Sữa dừa là sản phẩm chế biến từ cùi dừa có giá trị dinh dưỡng cao, chứa nhiều khoáng chất (canxi, sắt, photpho, magie, kẽm) và các nhóm vitamin (B1, B2, B3, B5, B6, B9, C). Tuy nhiên, dịch sữa dừa rất nhạy cảm với nhiệt độ; khi chịu tác động nhiệt độ cao trong thời gian dài, các cấu tử dinh dưỡng quý dễ bị thủy phân, đồng thời sản phẩm dễ bị sẫm màu và biến đổi mùi vị tự nhiên. Do đó, việc tách bớt dung môi (nước) nhằm làm tăng nồng độ chất khô của sữa dừa đòi hỏi phương pháp gia nhiệt chân không ở nhiệt độ sôi thấp để bảo toàn tối đa chất lượng cảm quan và hóa sinh của sản phẩm.

Mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật của đồ án bao gồm:

  1. Tổng quan cơ sở lý thuyết về nguyên liệu quả dừa, quá trình cô đặc nhiệt và các dạng thiết bị cô đặc trong công nghệ thực phẩm.
  2. Thiết lập quy trình công nghệ cô đặc sữa dừa gián đoạn làm việc dưới áp suất chân không.
  3. Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng cho toàn hệ thống với năng suất nhập liệu $1800 \text{ kg/h}$.
  4. Tính toán thiết kế bề mặt truyền nhiệt và xác định kích thước hình học của thiết bị chính (buồng đốt, buồng bốc, ống truyền nhiệt, ống tuần hoàn trung tâm, các ống dẫn).
  5. Tính toán cơ khí kiểm tra độ bền, xác định bề dày vỏ thiết bị, chọn đáy nón, nắp elip, mặt bích, đệm kín và tai treo đỡ thiết bị.
  6. Tính toán thiết bị ngưng tụ Baromet trực tiếp loại khô và các thông số phụ trợ (lượng nước tưới, lượng khí không ngưng).

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện đối với hệ thống thiết bị cô đặc một nồi làm việc gián đoạn có ống tuần hoàn trung tâm, thực hiện tại Bộ môn Kỹ thuật Thực phẩm, Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh vào năm 2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nội dung tính toán kỹ thuật của đồ án dựa trên các nguyên lý nhiệt động lực học, thủy lực học và truyền nhiệt trong kỹ thuật hóa chất và thực phẩm:

  • Thuyết động học phân tử về sự bay hơi: Sự hóa hơi xảy ra khi tốc độ chuyển động nhiệt của phân tử chất lỏng gần mặt thoáng thắng lực liên kết giữa các phân tử và áp suất bên ngoài. Quá trình bốc hơi tạo bọt khí và sự chênh lệch khối lượng riêng giữa dung dịch sôi bọt trong ống truyền nhiệt và dung dịch trong ống tuần hoàn trung tâm tạo ra động lực đối lưu tự nhiên liên tục.
  • Quy luật biến đổi hóa lý của dung dịch cô đặc: Trong quá trình bốc hơi dung môi, nồng độ chất khô tăng dẫn đến tăng khối lượng riêng, độ nhớt, tổn thất nhiệt độ do nồng độ ($\Delta'$) và nhiệt độ sôi của dung dịch; ngược lại, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt ($\alpha$) và hệ số truyền nhiệt ($K$) giảm dần.
  • Phương trình truyền nhiệt tổng quát: $$Q = K \cdot F \cdot \Delta t_h$$ Trong đó xác định hệ số truyền nhiệt $K$ qua tường phẳng/ống dẫn có tính đến nhiệt trở lớp bám cặn ($r_1, r_2$) và độ dẫn nhiệt của vật liệu kim loại.
  • Công thức Tisenco: Tính toán tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ chất tan tăng cao ($\Delta'$).
  • Lý thuyết tính toán cơ khí thiết bị hóa chất: Tính toán ứng suất giới hạn bền, ứng suất chảy, chiều dày thân trụ chịu áp suất trong và áp suất ngoài theo Tiêu chuẩn thiết kế thiết bị hóa chất của Việt Nam.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tính toán cân bằng vật chất và nhiệt lượng: Thiết lập phương trình bảo toàn khối lượng cấu tử chất khô và nhiệt lượng vào - ra trong chu kỳ làm việc 1 giờ.
  • Phương pháp tính toán truyền nhiệt và thủy lực học: Tính toán lặp xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích, hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng $\alpha_1$, hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi $\alpha_2$ và kiểm tra sai số trao đổi nhiệt giữa hai phía (yêu cầu sai số $\le 5%$).
  • Phương pháp tra cứu và quy chuẩn tiêu chuẩn kỹ thuật: Tra cứu thông số nhiệt vật lý từ các bảng tiêu chuẩn kỹ thuật; quy chuẩn kích thước đường ống, bích nối, đáy, nắp và tai treo theo tiêu chuẩn ASTM và Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất.

Nguồn dữ liệu tra cứu

Dữ liệu sử dụng trong đồ án được trích xuất từ:

  • Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1 và Tập 2) - PGS.TS. Trần Xoa, PGS.TS. Nguyễn Trọng Khuông, Hồ Lê Viên.
  • Sổ tay Thiết kế Thiết bị Hóa chất và Chế biến Thực phẩm Đa dụng - TS. Phan Văn Thơm.
  • Tính toán Quá trình và Thiết bị trong Công nghệ Hóa chất và Thực phẩm (Tập 1) - GS.TS. Nguyễn Bin.
  • Bảng dữ liệu thành phần dinh dưỡng nước dừa của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA).

Thiết kế và tính toán hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế theo sơ đồ cô đặc một nồi chân không, làm việc gián đoạn với buồng đốt dạng chùm ống có ống tuần hoàn trung tâm đặt đồng trục bên trong buồng bốc.

Thông số công nghệ và vận hành

  • Năng suất nhập liệu ($G_đ$): $1800 \text{ kg/mẻ}$ (thực hiện nạp liệu trong 10 phút).
  • Nồng độ dung dịch ban đầu ($x_đ$): $15%$ chất khô.
  • Nồng độ dung dịch sản phẩm ($x_c$): $50%$ chất khô.
  • Nhiệt độ dung dịch nhập liệu ($t_đ$): $30^\circ\text{C}$.
  • Hơi đốt sử dụng: Hơi nước bão hòa ở áp suất $3 \text{ atm}$ ($t_{hđ} = 132,9^\circ\text{C}$).
  • Độ chân không làm việc: $P_{CK} = 0,7 \text{ atm}$; áp suất hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ Baromet là $0,4 \text{ atm}$ ($T_c = 75,4^\circ\text{C}$); áp suất trong buồng bốc là $0,42 \text{ at}$ ứng với nhiệt độ sôi $t_{sôi} = 76,4^\circ\text{C}$.
                       [Sữa dừa đặc 50%]                         [Hơi thứ (1260 kg/h)]
                                                             [Buồng bốc & tách giọt]
                                              [Nước ngưng Baromet]                  [Bộ tách lỏng & Khí không ngưng]
                                                                                            (Bơm chân không hút ra)

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày đặc điểm nông học của cây dừa (Cocos nucifera, họ Cau Arecaceae), phân tích thành phần dinh dưỡng của cùi dừa và nước dừa theo số liệu của USDA (trong 240g nước dừa chứa 44 calo, 0g chất béo, 64mg natri, 10,4g carbohydrate, 9,6g đường và 0,5g protein).

Tác giả phân tích các biến đổi cơ bản của dịch sữa dừa trong suốt thời gian cô đặc: khi nồng độ chất khô tăng, khối lượng riêng tăng từ $1061,04 \text{ kg/m}^3$ lên $1231,74 \text{ kg/m}^3$, nhiệt dung riêng giảm từ $3899,33 \text{ J/(kg}\cdot\text{K)}$ xuống $3846,84 \text{ J/(kg}\cdot\text{K)}$, độ nhớt tăng làm giảm khả năng trao đổi nhiệt. Chương này cũng phân loại chi tiết các dòng thiết bị cô đặc:

  • Phân loại theo cấu tạo: nhóm đối lưu tự nhiên (buồng đốt trong/ngoài), nhóm đối lưu cưỡng bức, nhóm màng mỏng (màng rơi, màng leo).
  • Phân loại theo áp suất và phương thức thực hiện: áp suất thường, áp suất chân không, áp suất dư; gián đoạn, liên tục và hệ thống nhiều nồi.

Chương 1 kết luận lựa chọn thiết bị cô đặc chân không gián đoạn ống tuần hoàn trung tâm do kết cấu đơn giản, chi phí chế tạo thấp, dễ vận hành và hạn chế tối đa sự biến tính nhiệt của sản phẩm.

Chương 2: Quy trình công nghệ

Chương 2 thuyết minh toàn bộ dây chuyền sản xuất:

  1. Giai đoạn chuẩn bị và nạp liệu: Khởi động bơm chân không để tạo áp suất chân không $0,7 \text{ atm}$ trong hệ thống. Khởi động bơm ly tâm chuyển $1800 \text{ kg}$ sữa dừa ban đầu nồng độ $15%$ từ bồn chứa vào nồi trong thời gian 10 phút, sau đó ngắt bơm nạp.
  2. Giai đoạn gia nhiệt và cô đặc: Mở van cấp hơi nước bão hòa $3 \text{ atm}$ vào buồng đốt. Hơi đốt đi ngoài chùm ống truyền nhiệt để đun sôi dung dịch đi bên trong ống. Sự chênh lệch tỷ trọng giữa hỗn hợp lỏng - hơi trong ống truyền nhiệt nhỏ và dung dịch trong ống tuần hoàn trung tâm đường kính lớn tạo vòng tuần hoàn tự nhiên khép kín.
  3. Giai đoạn xử lý hơi thứ: Hơi thứ bốc lên đi qua không gian buồng bốc và bộ phận tách giọt lỏng, sau đó sang thiết bị ngưng tụ Baromet trực tiếp loại khô. Nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ hơi thứ thành lỏng rồi chảy xuống bồn chứa qua ống Baromet; khí không ngưng được dẫn qua bình tách bẫy lỏng trước khi vào bơm chân không.
  4. Giai đoạn kết thúc: Khi nồng độ dung dịch trong nồi đạt $50%$, đóng van hơi đốt, mở van thông áp phá chân không, mở van đáy xả sản phẩm vào thùng chứa.

Chương này cũng xác định danh mục các thiết bị trong hệ thống gồm: nồi cô đặc chính, thiết bị ngưng tụ Baromet, thiết bị tách lỏng, bơm ly tâm, bơm chân không, bẫy hơi và các thiết bị đo áp suất, nhiệt độ.

Chương 3: Tính toán thiết bị chính

Chương 3 tập trung giải quyết toàn bộ các bài toán công nghệ về cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, bề mặt trao đổi nhiệt và kích thước hình học của thiết bị chính.

1. Cân bằng vật chất

  • Lượng sản phẩm cô đặc thu được ($P$): $$P = \frac{G_đ \cdot x_đ}{x_c} = \frac{1800 \cdot 0,15}{0,5} = 540 \text{ kg/h}$$
  • Lượng hơi thứ bốc lên ($W$): $$W = G_đ - P = 1800 - 540 = 1260 \text{ kg/h}$$

2. Cân bằng nhiệt lượng và xác định nhiệt độ làm việc

  • Nhiệt độ hơi đốt: $t_{hđ} = 132,9^\circ\text{C}$ (ứng với $P = 3 \text{ atm}$).
  • Nhiệt độ hơi thứ tại thiết bị ngưng tụ: $T_c = 75,4^\circ\text{C}$ (ứng với $P = 0,4 \text{ atm}$).
  • Tổn thất nhiệt độ trên đường ống: $\Delta''' = 1^\circ\text{C} \implies$ nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc là $76,4^\circ\text{C}$ ($0,42 \text{ at}$).
  • Tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ ($\Delta'$): xác định theo Tisenco với hệ số $f = 0,87$, $\Delta'{15%} = 0,57^\circ\text{C}$, $\Delta'{50%} = 1,35^\circ\text{C}$.
  • Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống: $\Delta_{tt} = 4,15^\circ\text{C}$.
  • Hiệu số nhiệt độ hữu ích: $\Delta t_h = 56,5 - 4,15 = 52,45^\circ\text{C}$.
  • Nhiệt lượng cung cấp cho quá trình:
    • Nhiệt đun nóng dung dịch đến sôi: $Q_đ = 0,323 \cdot 10^9 \text{ J}$.
    • Nhiệt bốc hơi dung môi: $Q_{bh} = 2,922 \cdot 10^9 \text{ J}$ (ẩn nhiệt hóa hơi $r = 2318,8 \cdot 10^3 \text{ J/kg}$).
    • Nhiệt tổn thất ra môi trường ($Q_{tt}$): lấy bằng $4%$ tổng nhiệt.
    • Công suất nhiệt yêu cầu: $Q' = 938.888,9 \text{ W}$.
  • Lượng hơi đốt tiêu hao: $D = 0,432 \text{ kg/s}$.

3. Bề mặt truyền nhiệt và kích thước buồng đốt, buồng bốc

  • Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng: $\alpha_1 = 7312,01 \text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$.
  • Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi: $\alpha_2 = 6921,63 \text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$.
  • Kiểm tra cân bằng nhiệt lượng truyền qua thành ống: sai số mật độ dòng nhiệt $q_1$ và $q_2$ đạt $4,87% < 5%$ (thỏa mãn điều kiện hội tụ).
  • Hệ số truyền nhiệt tổng quát: $K = 1246,07 \text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$ (tính toán đạt $1363,82 \text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$).
  • Diện tích bề mặt truyền nhiệt yêu cầu: $F = 14,51 \text{ m}^2$.
  • Buồng bốc: Chiều cao $H_b = 3 \text{ m}$, thể tích hơi $V_b = 1,68 \text{ m}^3$, đường kính tính toán $D_b = 0,845 \text{ m}$, quy chuẩn chọn đường kính buồng bốc $D_b = 1200 \text{ mm}$.
  • Buồng đốt: Chiều dài ống truyền nhiệt $H = 1,5 \text{ m}$, ống thép không gỉ $1\text{X}18\text{H}19\text{T}$ đường kính ngoài $d_n = 20 \text{ mm}$ (hoặc quy chuẩn $25 \text{ mm}$), số lượng ống tính toán là 154 ống.
  • Ống tuần hoàn trung tâm: Đường kính $D_{th} = 250 \text{ mm}$ (chiếm $30%$ diện tích thiết diện chùm ống), bố trí thay thế 11 ống truyền nhiệt ở tâm hình lục giác đều. Số ống truyền nhiệt làm việc thực tế là $n' = 143$ ống; diện tích truyền nhiệt thực tế đạt $F' = 19,54 \text{ m}^2 > 14,51 \text{ m}^2$.
  • Đường kính trong buồng đốt quy chuẩn: $D_t = 800 \text{ mm}$.

4. Kích thước các ống dẫn công nghệ

  • Ống nhập liệu: Vận tốc dòng $v = 0,7 \text{ m/s}$, đường kính trong $d_t = 20 \text{ mm}$, đường kính ngoài $d_n = 25 \text{ mm}$, chiều dày $5 \text{ mm}$.
  • Ống tháo sản phẩm: Vận tốc dòng $v = 0,5 \text{ m/s}$, đường kính trong $d_t = 20 \text{ mm}$, đường kính ngoài $d_n = 25 \text{ mm}$, chiều dày $5 \text{ mm}$.
  • Ống dẫn hơi đốt: Vận tốc hơi $v = 35 \text{ m/s}$, đường kính ngoài $d_n = 91,3 \text{ mm}$, chiều dày $6,553 \text{ mm}$.
  • Ống dẫn hơi thứ: Vận tốc hơi $v = 35 \text{ m/s}$, đường kính ngoài $d_n = 246,7 \text{ mm}$, chiều dày $6,35 \text{ mm}$.
Thông số thiết bị chính Giá trị tính toán Giá trị quy chuẩn lựa chọn Đơn vị
Năng suất nhập liệu ($G_đ$) 1800 1800 kg/h
Năng suất sản phẩm ($P$) 540 540 kg/h
Lượng hơi thứ bốc lên ($W$) 1260 1260 kg/h
Lượng hơi đốt tiêu hao ($D$) 0,432 0,432 kg/s
Diện tích bề mặt truyền nhiệt ($F$) 14,51 19,54 (thực tế) $\text{m}^2$
Đường kính buồng đốt ($D_t$) - 800 mm
Đường kính buồng bốc ($D_b$) 845 1200 mm
Chiều cao buồng bốc ($H_b$) 3,0 3,0 m
Chiều dài ống truyền nhiệt ($H$) 1,5 1,5 m
Số lượng ống truyền nhiệt 154 143 (sau khi trừ tâm) ống
Đường kính ống tuần hoàn trung tâm - 250 mm

Chương 4: Tính cơ khí

Chương 4 tính toán độ bền và lựa chọn kết cấu cơ khí cho các bộ phận chịu lực của thiết bị:

  • Vật liệu chế tạo: Vỏ buồng đốt, đáy, nắp làm bằng thép không gỉ $1\text{X}18\text{H}9\text{T}$; thân buồng bốc làm bằng thép $12\text{MX}$; ứng suất cho phép $[\sigma] = 160 \cdot 10^6 \text{ N/m}^2$; hệ số bổ sung ăn mòn và dung sai $C = 2 \text{ mm}$.
  • Chiều dày buồng đốt: Tính toán theo áp suất trong ($p = 308.563,65 \text{ N/m}^2$) cho bề dày $S = 2,81 \text{ mm}$, quy chuẩn chọn chiều dày vỏ buồng đốt $S = 8,5 \text{ mm}$.
  • Chiều dày buồng bốc: Tính toán theo điều kiện làm việc chịu áp suất ngoài ($P_n = 1,66 \cdot 10^5 \text{ N/m}^2$), xác định chiều dày tối thiểu $S = 8,5 \text{ mm}$.
  • Đáy thiết bị: Đáy nón tiêu chuẩn không gờ góc $2\alpha = 90^\circ$, đường kính trong $D_t = 800 \text{ mm}$, chiều cao đáy $H = 225 \text{ mm}$, phần gờ cao $40 \text{ mm}$, thể tích đáy nón $V_đ = 0,038 \text{ m}^3$.
  • Nắp thiết bị: Nắp elip có gờ tiêu chuẩn đường kính trong $D_t = 1200 \text{ mm}$, chiều cao $h_t = 300 \text{ mm}$, bán kính cong $R_t = 1200 \text{ mm}$, chiều dày chọn $S = 8,5 \text{ mm}$. Lỗ lắp ống dẫn hơi thứ được tăng cứng bằng bạc tăng cứng có bề dày $6 \text{ mm}$.
  • Mặt bích và đệm: Chọn bích liền bằng thép kiểu I, đệm amiăng dày $2 \text{ mm}$.
Vị trí liên kết bích Đường kính trong $D_t$ (mm) Đường kính ngoài $D$ (mm) Đường kính tâm bu lông $D_b$ (mm) Chiều dày bích $h$ (mm) Bu lông liên kết
Nắp - Buồng bốc 1200 1340 1290 22 32 bu lông M20
Buồng đốt - Đáy 800 930 880 20 24 bu lông M20
Buồng bốc - Buồng đốt 800 930 880 20 24 bu lông M20
  • Tính toán tai treo:
    • Khối lượng buồng đốt: $255,8 \text{ kg}$.
    • Khối lượng ống truyền nhiệt: $218,22 \text{ kg}$.
    • Khối lượng đáy nón: $43,49 \text{ kg}$.
    • Khối lượng thân buồng bốc: $764,83 \text{ kg}$.
    • Khối lượng nắp: $65,08 \text{ kg}$.
    • Khối lượng dung dịch trong nồi: $1800 \text{ kg}$.
    • Tổng khối lượng hệ thống: $M = 3147,42 \text{ kg}$.
    • Trọng lực cực đại: $G_{max} = 30.876,19 \text{ N}$.
    • Thiết kế 8 tai treo bằng thép CT3 có 2 gân tăng cứng, tải trọng phân bố lên mỗi tai treo là $G_i = 3859,52 \text{ N}$.

Chương 5: Thiết bị ngưng tụ Baromet

Chương 5 tính toán thiết bị ngưng tụ Baromet loại trực tiếp tiếp xúc ngược dòng (loại khô) để ngưng tụ toàn bộ lượng hơi thứ $W = 1260 \text{ kg/h} = 0,35 \text{ kg/s}$:

  • Cân bằng nhiệt thiết bị ngưng tụ:
    • Enthalpy hơi thứ vào thiết bị: $i = 2632 \cdot 10^3 \text{ J/kg}$ (ở áp suất $0,4 \text{ at}$).
    • Nhiệt độ nước làm nguội vào: $t_{2đ} = 60^\circ\text{C}$; nhiệt độ nước ra: $t_{2c} = 65,4^\circ\text{C}$.
    • Lượng nước lạnh tưới vào tháp ngưng tụ: $$G_n = \frac{W(i - C_n \cdot t_{2đ})}{C_n(t_{2c} - t_{2đ})} = 36,85 \text{ kg/s}$$
  • Lượng không khí và khí không ngưng cần rút:
    • Nhiệt độ khí không ngưng: $t_{kk} = 60 + 4 + 0,1 \cdot (65,4 - 60) = 64,54^\circ\text{C}$.
    • Lưu lượng không khí và khí không ngưng được tính toán làm cơ sở chọn công suất bơm chân không.
  • Kích thước tháp Baromet: Tính toán đường kính tháp, kích thước các tấm ngăn hình bán nguyệt, chiều cao thân thiết bị và chiều cao ống Baromet (ống chân) đảm bảo cột nước tự cân bằng áp suất khí quyển để tháo nước ngưng tự nhiên ra ngoài mà không cần bơm tháo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

Đồ án đã hoàn thiện toàn bộ các thông số thiết kế cho hệ thống cô đặc chân không sản xuất sữa dừa:

  • Thiết lập bảng cân bằng vật chất hoàn chỉnh: chuyển hóa $1800 \text{ kg/h}$ nguyên liệu nồng độ $15%$ thành $540 \text{ kg/h}$ sản phẩm nồng độ $50%$, lượng hơi thứ bốc lên đạt $1260 \text{ kg/h}$.
  • Xác định mức tiêu hao hơi đốt bão hòa $3 \text{ atm}$ là $0,432 \text{ kg/s}$ ($1555,2 \text{ kg/h}$), đáp ứng công suất nhiệt $938,89 \text{ kW}$.
  • Thiết kế buồng đốt gồm 143 ống truyền nhiệt dài $1,5 \text{ m}$ và một ống tuần hoàn trung tâm $\phi 250 \text{ mm}$, cung cấp diện tích trao đổi nhiệt thực tế $19,54 \text{ m}^2$ (vượt diện tích tính toán tối thiểu $14,51 \text{ m}^2$).
  • Hoàn thiện kết cấu cơ khí với vỏ chịu lực bằng thép không gỉ dày $8,5 \text{ mm}$, đáy nón $90^\circ$, nắp elip $D_t = 1200 \text{ mm}$, hệ thống 3 cụm bích tiêu chuẩn và 8 tai treo chịu lực tổng tải trọng $3147,42 \text{ kg}$.
  • Tính toán thành công thông số tháp ngưng tụ Baromet với lưu lượng nước tưới làm mát $36,85 \text{ kg/s}$.

Đóng góp thực tiễn

  • Cung cấp phương án thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc phù hợp với tính chất của dịch thực phẩm nhạy cảm nhiệt độ, hạn chế biến tính dinh dưỡng nhờ hạ nhiệt độ sôi xuống $76,4^\circ\text{C}$ dưới áp suất chân không.
  • Hệ thống hóa đầy đủ quy trình tính toán từ cân bằng hóa lý, truyền nhiệt động học đến gia công cơ khí chi tiết cho sinh viên ngành kỹ thuật thực phẩm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Phương thức vận hành gián đoạn: Tính chất hóa lý của dung dịch (độ nhớt, khối lượng riêng, nồng độ) thay đổi liên tục theo thời gian mẻ nấu, làm cho chế độ truyền nhiệt không ổn định trong suốt chu kỳ.
  • Hiệu quả sử dụng nhiệt của hệ thống 1 nồi: Hơi thứ sinh ra ở áp suất $0,42 \text{ at}$ có nhiệt độ thấp ($76,4^\circ\text{C}$), được ngưng tụ hoàn toàn trong tháp Baromet mà chưa tận dụng được nguồn nhiệt này để đun nóng cho các công đoạn khác.
  • Thao tác tháo sản phẩm: Khi kết thúc mẻ phải ngắt chân không để xả liệu, gây tổn thất thời gian và năng lượng cho việc tái lập áp suất chân không mẻ tiếp theo.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nghiên cứu chuyển đổi sang hệ thống cô đặc nhiều nồi (2 nồi hoặc 3 nồi) hoặc hệ thống cô đặc có tái nén hơi thứ (MVR/TVR) nhằm giảm tiêu hao hơi đốt và nâng cao hiệu quả kinh tế.
  • Khảo sát thiết kế thiết bị cô đặc dạng màng rơi (falling film) hoặc màng chảy cưỡng bức để rút ngắn thời gian lưu nhiệt của sữa dừa, giúp nâng cao hơn nữa chất lượng cảm quan của sản phẩm.
  • Nghiên cứu tích hợp các cảm biến đo nồng độ trực tuyến (khúc xạ kế tự động) và van điều khiển tự động để phát triển quy trình cô đặc liên tục.

Giá trị tham khảo

Tài liệu này là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Thực phẩm, Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học: Tham khảo phương pháp luận, trình tự các bước thực hiện đồ án môn học Quá trình và Thiết bị, Đồ án Kỹ thuật thực phẩm hoặc Khóa luận tốt nghiệp về mảng thiết bị nhiệt.
  • Kỹ sư thiết kế cơ điện và công nghệ chế biến thực phẩm: Tham khảo chuỗi công thức tính toán cân bằng nhiệt - chất, hệ số cấp nhiệt khi bốc hơi sủi bọt, kiểm nghiệm bền thân - nắp - đáy thiết bị hóa chất và lựa chọn quy chuẩn mặt bích, tai treo công nghiệp.
  • Các phần nội dung nổi bật:
    • Trình tự giải bài toán lặp kiểm tra cân bằng mật độ dòng nhiệt $q_1 - q_2$ để tìm hệ số truyền nhiệt $K$.
    • Cách tính chuyển đổi và trừ số ống truyền nhiệt khi bố trí ống tuần hoàn trung tâm trên vỉ ống hình lục giác đều.
    • Các bước tính toán cơ khí chiều dày chịu áp suất ngoài và kiểm nghiệm độ bền lỗ khoét nắp buồng bốc.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn phương pháp cô đặc chân không cho sữa dừa thay vì cô đặc ở áp suất thường?

Sữa dừa là dung dịch giàu vitamin, khoáng chất và chất béo, dễ bị thủy phân và biến tính màu sắc, mùi vị ở nhiệt độ cao. Khi cô đặc ở áp suất chân không ($P_{CK} = 0,7 \text{ atm}$), nhiệt độ sôi của dung dịch giảm xuống còn $76,4^\circ\text{C}$ (thay vì trên $100^\circ\text{C}$ ở áp suất thường), giúp bảo toàn các thành phần dinh dưỡng và chất lượng cảm quan của sản phẩm.

2. Các thông số năng suất và nồng độ làm việc của hệ thống là bao nhiêu?

Hệ thống được thiết kế với năng suất nhập liệu $G_đ = 1800 \text{ kg/h}$ ở nồng độ ban đầu $x_đ = 15%$ chất khô. Sau quá trình cô đặc, hệ thống thu được $P = 540 \text{ kg/h}$ sản phẩm sữa dừa đặc đạt nồng độ $x_c = 50%$ chất khô và tách ra lượng hơi thứ $W = 1260 \text{ kg/h}$.

3. Cấu tạo buồng đốt và bề mặt truyền nhiệt thực tế được bố trí như thế nào?

Buồng đốt có đường kính trong $D_t = 800 \text{ mm}$, sử dụng chùm ống truyền nhiệt dài $1,5 \text{ m}$ bằng thép không gỉ $1\text{X}18\text{H}19\text{T}$. Thiết kế ban đầu gồm 154 ống bố trí theo hình lục giác đều, sau đó thay thế 11 ống ở tâm bằng một ống tuần hoàn trung tâm đường kính $D_{th} = 250 \text{ mm}$. Số ống truyền nhiệt làm việc thực tế là 143 ống, tạo ra diện tích trao đổi nhiệt thực tế $F' = 19,54 \text{ m}^2$.

4. Chiều dày vỏ thiết bị và vật liệu được chọn như thế nào để đảm bảo an toàn chịu lực?

Thân buồng đốt, đáy nón và nắp elip được chế tạo bằng thép không gỉ $1\text{X}18\text{H}9\text{T}$, thân buồng bốc làm bằng thép $12\text{MX}$ với ứng suất cho phép $[\sigma] = 160 \text{ MPa}$ và hệ số bổ sung ăn mòn $C = 2 \text{ mm}$. Chiều dày thân buồng đốt tính toán theo áp suất trong và buồng bốc tính toán theo áp suất ngoài đều được quy chuẩn chọn bề dày thực tế là $S = 8,5 \text{ mm}$.

5. Thiết bị ngưng tụ Baromet sử dụng lượng nước làm lạnh là bao nhiêu?

Thiết bị ngưng tụ Baromet trực tiếp loại khô cần một lượng nước lạnh tưới làm nguội là $G_n = 36,85 \text{ kg/s}$ (nhiệt độ nước vào $t_{2đ} = 60^\circ\text{C}$, nhiệt độ nước ra $t_{2c} = 65,4^\circ\text{C}$) để ngưng tụ hoàn toàn $0,35 \text{ kg/s}$ ($1260 \text{ kg/h}$) hơi thứ thoát ra từ buồng bốc.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống cô đặc nhằm sản xuất sữa dừa, năng suất 1800 kg/h" đã giải quyết đầy đủ và logic các nhiệm vụ tính toán công nghệ và thiết kế cơ khí cho một hệ thống cô đặc chân không gián đoạn có ống tuần hoàn trung tâm. Bản thuyết minh cung cấp hệ thống số liệu chi tiết từ cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, xác định bề mặt truyền nhiệt $19,54 \text{ m}^2$, thiết kế buồng bốc $\phi 1200 \text{ mm}$, buồng đốt $\phi 800 \text{ mm}$, kiểm nghiệm độ bền vỏ dày $8,5 \text{ mm}$ đến tính toán tháp ngưng tụ Baromet. Kết quả nghiên cứu là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao, phục vụ hiệu quả cho việc học tập, giảng dạy và nghiên cứu thiết kế thiết bị trong ngành Công nghệ Thực phẩm.